Átlagos sebességgel a kerékpáros 0,15 kalória/gramm/km energiát „fogyaszt” sík terepen. Ez „világrekord”: nincs az a gép, eszköz vagy élőlény, amelyik ennél kevesebb energiából képes helyet változtatni. A kerékpáros haladását öt tényező lassítja:
- a gravitáció,
- a légellenállás,
- a gördülési ellenállás,
- a súrlódás
- és a tehetetlenség.
Egyiket sem lehet teljes egészében kiküszöbölni, de mindegyik valamelyest csökkenthető. Ha sikerül az ellenállást mérsékelni, az adott tömegre és távolságra vonatkozó energiaigény - vagyis a hatékonyság – tovább növelhető. Például a légellenállást testünk és a kerékpár frontális felületének csökkentésével, jobb légáramlás előidézésével mérsékelhetjük, így csökken az energiaigény, következésképpen azonos teljesítmény ledásával gyorsabban haladunk. A gravitáció ellen nem sokat tehetünk, legfeljebb az önsúlyunkat és a kerékpárét mérsékelhetjük. De nem is lenne jó a földre húzó erőt számottevően csökkenteni, mert nem maradna tapadás, ami az úton tart. A tehetetlenség igen bonyolult tényező, valójában nem is erő, hanem tulajdonság, legjobb, ha ennek vizsgálatát a tudósokra hagyjuk!
Y-tengely az 1km távolságra fordított kalóriaigény, X-tengely öntömeg - igen, messze a biacjos a leghatékonyabb közlekedő!
A felsorolásban szereplő további két faktor érdekes nüánszokat rejt. A gördülési ellenállás döntően a kerékpárgumi talajjal érintkezéséből és a terhelés alatti deformálódásából adódik, a súrlódást pedig a hajtás, avagy a kerékpáros lábmozgását haladássá átalakító mechanika vesztesége. Az utóbbinál olyan dolgokra kell gondolni, mint a láncgörgők vagy a golyóscsapágyak súrlódása, ellenállása. Mindkét tényező befolyásolható, a jelen írásban elsősorban ezekre koncentrálunk. (Igen, haladás szempontjából az aerodinamika a legmeghatározóbb tényező, és korábban a gramm-mániával foglalkozó írásunkban már érintettük.)
A kerékpár mechanikus hatékonysága jó esetben közel 99% is lehet. Ez azt jelenti, hogy a pedálra ható erő majdnem teljes egészében a kerékre átkerül. Ez igaz egy jól karbantartott, olajozott, tiszta hajtásra 400W teljesítmény mellett. Fokozatváltós hajtásrendszer esetében némileg csökken, a lánc nem ideális állapota, szögállása ugyancsak mérsékeli a hatékonyságot. (Ezekről a tényezőkről bővebben a láncról, a kenőanyagokról és az agyváltós hajtásrendszerekről szóló írásunkban foglalkoztunk.) A legrosszabb esetben is a mechanikus hatékonyság 70-80%-ra csökken.
A gördülési ellenállás jelentősen meghaladja a mechanikus veszteségeket: nagy átlagban 10-20%-os értékkel számolhatunk. Egy része a talajjal való kölcsönhatás, a másik a gumi okozta ellenállás. Az utóbbi tudományos neve hiszterézis, avagy maradandó állapotmódosulás, amit meghatároz a gumi érintkező felülete, a benne lévő légnyomás, a gumiösszetétel, a szövetszerkezet, a futófelület mintázata, az útfelület milyensége és néhány egyéb tényező. A belső (tömlő) és a külső gumi ellenállása összeadódik, belső nélküli rendszerekben pedig a tömítő folyadéknak van némi ellenállása, ahogy a körbe-körbe folyik. A veszteség keskeny, sima gumival, de még inkább finom, vékony szövetszerkezettel és csekély mennyiségű gumi alkalmazásával 10% alá vihető. Mindezekről később még szólunk, mindazonáltal a kerékpárgumikkal foglalkozó szakcikkünk is elmagyarázza a fő összefüggéséket.
Mechanikus ellenállás csökkentése
A hajtáslánc - ahogy ezt a kifejezést itt a cikkben értelmezzük - a pedáltól indul, és a kerék forgatásáig tart, vagyis gumi/talaj kapcsolatot már a gördülési ellenállással hozzuk kapcsolatba. A pedálokat a két láb körpályán mozgatja, amely a tengelyforgás leghatékonyabb módja. Voltak próbálkozások lépcsőző vagy egyéb lábmunkára, de így vagy úgy nem bizonyultak elég hatékonyak. Néha a mozgás által leadott erő nagyobb volt, mint a körkörös mozgásnál, de ott a mechanikai veszteség nőtt számottevően, egy másik hajtásrendszernél pedig csak rövid ideig lehetett fokozott teljesítményt leadni. Ergo az ember és a szerkezet egyértelműen a jelenleg alkalmazott kerékpárhajtással van a legjobb kölcsönhatásban: azaz hatékonyan és tartósan képesek együttműködni.
Ahogy korábban utaltunk rá, az áttételváltós bicaj mechanikai vesztesége nagyobb, mint az egyetlen fokozatot kínálónak. Dacára az ideális pedálfordulatnak köszönhető biomechanikai nyereség ezt bőségesen kompenzálja, ergo a direkt (egysebességes/fixi) hajtás legfeljebb síkon, szélcsendben, vagy azonos meredekségű emelkedőn mutat minimális - valójában jelentéktelen - előnyt. (A biomechanikával kapcsolatos tényezők egy soron következő írásban kerülnek terítékre.)
Pedál
A mechanikai ellenállás vizsgálata a pedálnál kezdődik. Itt jó esetben golyóscsapágyak csökkentik a veszteséget, habár olcsó, műanyag pedálok - például, amelyek az új kerékpárral érkeznek – gyakran siklócsapágyon futnak. Ezek hamar tönkre mennek, tetejében jelentős mechanikai veszteséget okoznak. A golyós/ipari csapágyak közül is jobb az a rendszer, ahol a pedáltengely hajtókar felőli és külső vége egyaránt kap egy-egy csapágyat, így a mindkettő hatékonyan „dolgozhat”. A nagyobb csapágyméret és a pontosabb kivitel (minőség) növeli az élettartamot, illetve némileg csökkenti a súrlódást. Jegyezzük meg, hogy a megfelelő pedál kiválasztásáról korábban szakcikk is született, ott minden részletesen el van magyarázva.
Hajtómű és középcsapágy
A pedáltengely a hajtókarhoz rögzül, az pedig a középcsapágytengelyhez. A középcsapágyban golyós (ipari) csapágyat találunk, leszámítva egyes nagyon olcsó gyermekkerékpárt. A nagy nyomaték miatt ezek a csapágyak masszívak, a tengely is 17-30mm átmérővel rendelkezik. A kisebb méret a hagyományos négyszögtengelyes hajtómű sajátja, az utóbbi az integrált csőtengelyes hajtásoké. Mindkettő képes hatékonyan átvinni a hajtáserőt, vagyis a vékonyabb tengely kismértékű hajlongása nem okoz jelentős veszteséget. Ennek oka, hogy az acéltengely erőtároló rugóként funkcionál, ami energia az elhajlításba kerül, azt a terhelés elmúltával visszakapja a bicajos. A merevebb szerkezet mindazonáltal érzetre jobb, mivel direktebb erőátvitelt tesz lehetővé.
A megnövelt csapágyméret a középrész-tengely esetében ugyanazokat az előnyöket biztosítja, mint bármely kerékpáralkatrész esetében: azaz növeli a terhelhetőséget, a tartósságot, és némileg csökkentheti az ellenállást is. A nagyobb csapágy viszont nehezebb, de a plusz tömeg kevésbé hátráltat, mint amit a réven nyerünk. A csapágy tömítése is fontos tényező: a kétoldali precíz gumitömítés távol tartja a szennyezést, viszont plusz súrlódást okoz, ami némileg rontja a hatásfokot. Éppen ezért pályaversenyzők a csapágytömítéseket kiszedik, hiszen ott nincs kosz, de minden századmásodperc számít. A mindennapi használatban – főleg terepen – az ilyenfajta „tuning” badarság. Manapság terjedőben van a kerámiacsapágy, amely kenést nem igényel, de megfelelő tömítést és karbantartást annál inkább. Ezekkel a kérdéssekkel a már említett cikkben foglalkoztunk, egy másikban pedig a különböző középcsapágyrendszereket vesszük górcső alá.
A jobboldali hajtókarra egy vagy több lánckerék rögzül. Amennyiben több, szorzóváltóról beszélünk, egy első lánctányér esetében az áttétel-fokozatváltás a hátsó agyra rögzített lánckerekeken történik. Az első és a hátsó lánckerekek közt az erőátvitelt lánc biztosítja. Jegyezzük meg, hogy létezik bordásszíj-hajtás is, de ez a megoldás kizárólag egy áttételt vagy bolygóműves hátsóagy-váltást tesz lehetővé.
Van alternatívája a lánchajtásnak, univerzálisan ellenben nem alkalmazható...
Lánc
A lánc egy elképesztően jól működő, hatékony erőátvitel-eszköz. Segítségével forgómozgást lehet átvinni két nagyobb tengelytávolságú párhuzamos tengely között, mindazonáltal a kapcsolat rugalmas marad, ami a kerékpáron hatalmas előnyt a fogaskerék vagy éppen a kardántengelyes hajtáshoz képest. A két „végpont” a középcsapágyban és a hátsó kerékagyban lévő tengely. A lánc zárt szempárokból áll, és rengeteg siklócsapágyat tartalmaz. Egy szempár négy oldallapot, két görgőt és két csapot számlál, összesen 8 komponenst, a lánc teljes hosszában közel 500 elemet tartalmaz.
A lánchajtás az 1880-as évek közepétől létezik. Fejlődésében két mérföldkövet érdemes kiemelni: az első a szemesláncról való áttérést a perselyes láncra, majd az 1980-as években a persely nélküli kialakítás lett a norma. Az első technológiaváltás finomabb működést tett lehetővé, míg a persely elhagyása a többsebességes, szorzóváltók elterjedését, a pozícionált precíz fokozatváltás elterjedését biztosította. Ez utóbbi nélkülözi a köztes elemet, vagyis a görgő immár nem a perselyre, hanem az oldallapok belsöjén kialakított peremre fekszik fel.
A láncban lévő görgő – ahogy a neve sugallja – forgómozgást végez, azaz végiggördül minden egyes fogon, ezzel csökkentve a súrlódást. A csap az oldallapokat köti össze, valamint a görgőt támasztja és pozícionálja. Ezzel a lánc könnyebb is lett, futása finomabb, valamint az oldalirányban hajlékonyabb.
A mechanikai vesztésék közül a lánc állapota a legmeghatározóbb!
Alacsony, útközeli elhelyezkedése folytán a lánc folyamatosan ki van téve a szennyeződésnek. Ennek megfelelően érdemes rendszeresen karbantartani, tisztítani, körülményektől függően néhány ezer kilométerenként cserélni. Egy tiszta és még nem elkopott (megnyúlt) lánc közel 99% hatékonyságot tesz lehetővé, míg a kopott, a lánckerék-fogakra nem pontosan illeszkedő, koszos, rozsdás vagy kenés nélkül futó akár a hajtáserő 10%-át is felemésztheti. Gyorsan jegyezzük meg, hogy a gépjárműveknél alkalmazott kardántengely legjobb esetben 10%-os veszteséggel működik, vagyis a lánchajtást nehéz überelni!
Fogszámok és áttételek
A kenés, a tisztaság és a kopásmentesség mellett a lánchajtás hatékonyságát a lánckerekek fogszáma is befolyásolja. Minél több fogat számlál, annál kisebb a mechanikai veszteség. A nagyobb erőkifejtés ugyancsak növeli az globális hatékonyságot, míg a „nagypapis” hajtás esetében a mechanikai veszteség nagyobb. A már említett „bűvös” 99%-os hatásfok 60/20 fogszámáttétel, valamint a versenyzők által produkált 400W esetében érhető el, míg az azonos áttételt produkáló 33/11 fogszám 50W teljesítmény mellett már csak 80%-os hatékonysággal bír. Vagyis érdemes minél nagyobb első lánckereket használni, persze a láncvonalra is figyelni kell, mivel az egyenestől nagyon eltérő futás növeli a veszteséget. A másik tanulság: a veszteségek minimalizálásához úgy kell hajtani, mintha életünk múlna rajta!
A fokozatváltás kérdéskörben ismét érintenünk kell a biomechanikát. Az emberi láb szerkezete (izmok, csontok, ínak, stb.) egy meghatározott mozgássor-frekvencia mellett működik hatékonyan. A legjobb teljesítmény a hajtókart percenként 50-100 forgatásával érhető el: ez alatt vagy felett jelentősen romlik az erőleadás hatásfok. Ergo képtelenek vagyunk lassabb fordulaton kellő nyomatékot kifejteni, e felett pedig nem tudjuk biztosítani a szükséges mozgásütemet. (Párhuzamként jegyezzük meg, hogy a belső égésű motor is egy fordulattartományra „hangolt”: 1500-3000 fordulat között működik hatékonyan, az alatt vagy felett romlik a hatásfok.) Célszerű tehát a pedálfordulatot minél szűkebb intervallumban, úgy 60-90 között tartani. Pontosan erre szolgál az áttételi fokozatok közti váltás, ami a mai kerékpárokon menet közben, kormányról vezérelve valósul meg.
A váltórendszer által kiválasztott áttétel többszörözi vagy osztja a pedálfordulatot, és így továbbítja a hátsó kerékre. 3:1 áttétel esetében a kerék háromszor gyorsabban forog, mint a hajtómű, míg 1:2 áttételnél ezt fele fordulatszámmal teszi. Az előbbi gyorsabb tempót, az utóbbi megnövelt nyomatékot tesz lehetővé. Egy mountain bike-on a kerékpáros percenként 70 pedálfordulattal haladhat 8km/óra vagy 40km/óra sebességgel, attól függően, hogy milyen áttételt kapcsol. A fenti példa 500% áttételi arányt feltételez (5x8=40), lehetővé téve, hogy mind 20%-os emelkedőn, mind 3%-os lejtőn hajtható legyen a kerékpár. Országúti és általános használatra tervezett kerékpárokon az áttételi spektrum valamivel szűkebb, mivel ritka az ilyen meredek út, és lejtmenetben sem kell feltétlen hajtani, hiszen ez is a hajtáshatékonyság ellen dolgozik. A váltórendszer áttételi arányainak kiszámításáról egyébként szakcikk jelent meg, hasonlóképpen a ma forgalomban lévő váltórendszerekről és azok kompatibilitásáról is írtunk már korábban.
Hátsó kerékagy
A kiválasztott hátsó lánckerék forgatja a kerékagytestet, amely golyós (ipari) csapágy segítségével forog a vázba rögzített tengely körül. Jellemzően a tengely két végére kerül egy-egy csapágy, valamint a szabadonfutó mechanika – amely biztosítja, hogy a lejtőn vagy lassításkor ne kelljen a hajtókart forgatni – ugyancsak rendszerint csapágyazott. A jobb minőségű, nagyobb méretű csapágy alkalmazása a kerékagy esetében is számos előnnyel jár, jóllehet a hatékonyságot csak minimális mértékben befolyásolja.
Küllők
Már csak egy elemet kell megemlíteni a hajtáslánc elemzésekor: nevezetesen a kerékszerkezet részét képező küllőket. Első blikkre a rendszerint acélból készült küllő statikus elemnek tűnik, voltaképpen folyamatos mozgásban van. A kerékforgással ciklikus terhelést kap, nem is keveset, hiszen egyetlen kilométert biciklizve a hozzávetőleg 50 tonnát „mozgat meg”. A hajtáserő miatt a küllők rendszerint egymást keresztezik, így viszik át a nyomatékot.
A küllők a kerék megépítése során egy alap előfeszítést kapnak, ami biztosítja, hogy maga a kerék stabil szerkezetet alkosson. Ez az érték jellemzően 1000N. Amelyik küllő éppen erőt visz át, annál a feszítés megnő, alul az út felől érkező nyomás (terhelés) pedig csökkenti a feszességet. Vagyis a feszesség folyamatosan változik, ergo a küllő „emel” és „enged”. Szerencsére a küllő is egyfajta rugó, azaz működése szignifikáns energiát nem emészt fel. A bevezetőben az egész hajtásláncra 1,5-20% veszteséget adtunk meg a legideálisabb és a legkedvezőtlenebb esetre: a küllő ebből mindössze 0,05%-ot „hasít ki” magának. A veszteséget csökkenteni kerekenként kevesebb küllővel és nagyobb küllőfeszességgel lehet, de a küllő aerodinamikai tényezője ennél jelentősebb hatású, azaz inkább erre érdemes koncentrálni. Említsük meg, hogy a küllőkkel is foglalkoztunk, amely itt olvasható. A kerekek kiválasztásáról és a kerékfűzésről ugyancsak egy-egy szakcikk áll rendelkezésre.
Gördülési ellenállás csökkentése
A vasúti kocsik gördülési ellenállása igen csekély, ami növeli a vonatközlekedés hatékonyságát. Viszont vezető sín nélkül a szerelvény kanyart nem tudna bevenni, és a megállás sem mindig egyszerű. Hasonlóképpen esős időben sok bicajos szembesült azzal, hogy a tapadás elfogy, és a kerékpár nehezen irányítható. Más szóval a kerekek és az út között tapasztalt többlet gördülési ellenállás a bicajozáshoz elengedhetetlen, jelentősen csökkenteni nem érdemes. Veszteségnek veszteség, de ez az ára, hogy arra menjen a bicikli, amerre akarod!
A gördülési ellenállás alapesetben két mozgó felület közti súrlódást jelenti, de ha az egyik pneumatikus gumi, akkor annak belső ellenállásával is számolni kell. Ahogy már említettük, ez a hiszterizis. A két tényező külön-külön nagyon nehezen meghatározható, illetve számszerűsíthető. A súrlódás itt valójában a gumi és a talaj közti molekuláris kölcsönhatása, amiből az utóbbi folyamatosan változik, azaz lényegében megfoghatatlan. Az ellenállás döntő része az kerékpárirányításhoz elengedhetetlen tapadás, és ez a hajtáslánc mechanikus veszteségének többszörösét teszi ki.
Gumiösszetétel
A gumigyártó alkalmazhat olyan alapanyagösszetételt, amely jobban tapad, ilyenkor viszont a gördülési ellenállás nagyobb lesz. Éppen ezért sok gyártó alkalmaz két eltérő komponenst a gumiban: középen keményebbet a gördülés csökkentésére, a perem felé középen a tapadás növelésére. De mondjuk a Continental más utat választott: az általa kifejlesztett „Black Chili” összetétel egy titkos összevőt tartalmaz, amely 30%-kal növeli a tapadást a hagyományos összetételű gumikhoz képest, ugyanakkor a gördülési ellenállás azonos marad. Erre jön a mintázat, amely elsősorban természetes - azaz nem simított aszfalt vagy beton - felületen kap elsődleges szerepet. Jó tudni, hogy a futófelület mintázata minden felületen befolyásolja a gördülési ellenállást. Egy szó mint száz, nehéz feladat felsorolni és elmagyarázni az összes paramétert, ami a tökéletes gumi kiválasztásához hozzájárulhat, de kijelenthető, hogy minden a felhasználás meghatározásával kezdődik.
Szövet
Nyergeljünk át az effektív súrlódásról a pneumatikus gumik okozta ellenállenállás-faktorra, a hiszterézisre! A deformálódás a gumi esetében nem olyan, mint sok fémes anyagnál: a rugózás során a befektetett energiát nem kapjuk vissza: ennek egy része hő formájában elvész. Ezt a veszteséget a tapadást elősegítő súrlódással szemben célszerű minimalizálni, amit elsősorban kevesebb energiát felemésztő rugalmasabb szövetalapanyaggal lehet biztosítani. Igen, a gumikülső nemcsak gumiból áll! A gumi csak a futófelület és a védőborítás, alatta található a gumikülső valódi szerkezete, ami egy természetes (pamut, selyem) vagy mesterséges (nejlon, poliamid) szövet. Annak tulajdonsága, vékonysága, szövetsűrűsége határozza meg a rugalmasságot, így a deformálódással együtt járó ellenállást (azaz veszteséget), amit a talajjal való érintkezés okoz.
Ismét a Continental-t hozhatjuk példaként, amelynek egyik fejlesztése a PolyX Breaker szövet. Ez egy könnyű és ellenálló poliészter, és nagyfokú rugalmasságának köszönhetően a gördülési ellenállás alacsony marad. Szerkezetét nézve olyan többrétegű szövetről beszélünk, amiben 240TPI szövetsűrűség (1 colra jutó szövetszál) adja az alapot, az oldalfal 180 TPI-s szövetsűrűségű, erre jön gumi védőréteg és a futófelület, amely a talajjal való kölcsönhatást biztosítja.
Ballonosság, szélesség
Ellentmond a józanésznek, de a szélesebb gumi bizonyos esetekben igenis csökkenti a gördülési ellenállást. Ennek oka, hogy a súrlódás csak az egyik veszteségfaktor, a már említett hiszterézis nyom többet a latba. A ballonosabb gumi erénye, hogy leszámítva az „idealizált” tükörsima aszfaltot nagyobb fokú kényelmet és tapadást biztosít, ezen felül a deformálódás okozta hiszterézis is csekélyebb. Terepen kell a széles gumi, de az említettek miatt ma már aszfalton is minimum 28mm széles gumit alkalmaznak. „Valós” körülmények között a szélesebb gumi kisebb ellenállást okoz, ergo hatékonyabb, mint a keskenyebb. Ez az előny a kissé nagyobb öntömeget is bőven kompenzálja.
A belső gumi (tömlő) az útfelülettel érintkezve a külsővel együtt deformálódik, hiszen össze vannak nőve. Vagyis a belső esetében is előnyös a rugalmas, vékony alapanyag, amely kisebb gördülési ellenállást, azaz veszteséget idéz elő. A természetes gumi - más néven latex - rugalmasabb, mint a szintetikus (butyl) változat, továbbá szakadásveszély nélkül vékonyabbra alakítható. Manapság poliamid alapanyaggal is kísérleteznek, amely ugyancsak vékonyra alakítható, könnyű, de nem feltétlen rugalmas. Sajnos, ami vékony, az könnyebben átlyukasztható, tehát az alacsony gördülési ellenállás és tömeg ára a defektre való hajlam…
Defektvédelem
A gumik esetében alkalmazott defektvédelem egy külön témakör, amivel egy szakcikkben korábban már foglalkoztunk. Dióhéjban összefoglalva az ott taglaltak lényegét: a magas szintű defektvédelem valamelyest rontja a menettulajdonságokat, növeli a gördülési ellenállást és a gumi tömegét, de majdnem képes kizárni a rettegett defektet. Használata a hajtás hatékonysága szempontjából egyértelműen hátrányos, de ha naponta kapsz defektet, akkor célszerű lenyelni ezt a keserű pirulát, és az útszéli javításelkerülése érdekében néhány wattot feláldozni…
Hajtáserő-veszteségek rangsorolva
Végezetül nézzünk egy-egy gyakorlati példát a hajtáshatékonyságára és abban felmerülő veszteségekre! Tételezzük fel, hogy a delikvens bicajjal együtt 90kg, és 175W teljesítményt produkál, valamint sík terepen halad. Mindent figyelembe vevő számítások alapján a leadott wattok 76%-a megy el a légellenállás leküzdésére. Ugyanaz a bicajos, ugyanott 300W teljesítménnyel 40 km/h sebességet ér el, akkor a légellenállás okozta veszteség 83%. Persze ott a gravitáció: és 7%-os kaptatón a teljesítmény már nagyobb része ennek leküzdésére megy el. Ehhez képest a néhány százalék, amit a hajtásláncban előforduló mechanikai és gördülési ellenállás okoz, valójában elenyésző. A hajtáserőt előállító „biomechanika” optimalizálásával nagyobb előrelépést lehet megvalósítani, de még az is eltörpül a légellenállás és a gravitáció mellett.
Akkor minek foglalkoztunk ennyit ezzel a két tényezővel? A kérdés jogosnak tűnik, de munkánk azért nem teljesen felesleges. Gondoljunk arra, hogy a légellenállás és a gravitáció álladó, ha azokat szeretnénk csökkenteni, akkor le kell fogyni, illetve kisebb frontális felületet produkáló testhelyzetet kell felvenni. Ezek nem lehetetlen célok, de sok munkát, áldozatot és gyakran jelentős anyagi ráfordítást igényelnek. Ezzel szemben a hajtáslánc optimalizálása valószínűleg könnyebb feladat, a biomechanika egy bizonyos fokig úgyszintén. Érdemes a kerékpáros teljesítmény és hatékonyság növelését az alacsonyan csüngő gyümölcsökkel kezdeni!
